2021年12月25日，這注定是人類航天史的歷史性時(shí)刻——在推遲發(fā)射14年后，被人們稱為“鴿王”的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，終于搭乘歐空局阿里安5-ECA火箭成功升空，開(kāi)始了它前往150萬(wàn)千米外“日-地拉格朗日2點(diǎn)”的旅途。

△韋伯望遠(yuǎn)鏡升空(圖片來(lái)源：NASA)

迄今為止全世界最貴望遠(yuǎn)鏡，究竟有多貴?

20個(gè)國(guó)家持續(xù)25年的投入和數(shù)萬(wàn)名科學(xué)家的傾力合作，造就了這個(gè)史上制造單價(jià)最貴的航天器。

有多貴?

目前，包括后續(xù)的運(yùn)營(yíng)和科研費(fèi)用，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(以下簡(jiǎn)稱為詹姆斯·韋伯)的總經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)已超過(guò)100億美元。

考慮到它的質(zhì)量?jī)H為6.5噸，也就意味著它的單價(jià)超過(guò)人民幣10000元/克，是黃金單價(jià)的20余倍!

△詹姆斯·韋伯看起來(lái)猶如一艘太空戰(zhàn)艦(圖片來(lái)源：NASA)

詹姆斯·韋伯究竟有什么樣的特殊使命，能讓這么多國(guó)家傾注如此大的人力、物力、財(cái)力在它上面?它又能為人類帶來(lái)什么呢?

貴有貴的道理——韋伯的觀測(cè)能力遠(yuǎn)超前輩

宇宙是個(gè)充斥著各種電磁波和高能粒子的喧鬧世界，那里既藏著遙遠(yuǎn)的歷史，也昭示著人類乃至太陽(yáng)系的未來(lái)。

對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光到紅外線頻段是觀測(cè)的重點(diǎn)，尤其是追蹤宇宙大爆炸后殘留的紅外線，它們已經(jīng)在宇宙中傳播了138億年，蘊(yùn)藏著宇宙最初的奧秘。

然而，地球大氣層、磁場(chǎng)、人類活動(dòng)等因素，卻使得地球成了一個(gè)典型的“信息繭房”。在廣闊的電磁波頻段中，只有極小一部分能順利抵達(dá)地球表面并被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，其他的則幾乎都被屏蔽在外。

△從地球表面觀測(cè)電磁波的頻譜窗口透明度，真正的有效觀測(cè)的窗口極小(圖片來(lái)源：維基百科)

解決這個(gè)問(wèn)題的辦法只有一個(gè)：把望遠(yuǎn)鏡送出地球。

不同望遠(yuǎn)鏡的使命也不同，這次被送出地球的詹姆斯·韋伯的觀測(cè)波段主要集中于波長(zhǎng)為0.6-28.3微米的橙色光到紅外線頻段，它的更大口徑和一系列新技術(shù)帶來(lái)了遠(yuǎn)超前任哈勃、施皮茨、赫歇爾等知名太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力。

例如，它能夠看到更暗更古老的天體，甚至可以追蹤到宇宙中第一批星系形成的痕跡，投入工作后將會(huì)極大提升人類紅外天文學(xué)的相關(guān)研究。

前所未有的造價(jià)和劃時(shí)代的意義，也讓這個(gè)望遠(yuǎn)鏡“榮幸”地以NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋伯命名。詹姆斯·韋伯于1961-1968年在任，領(lǐng)導(dǎo)了NASA最輝煌的階段。在這一時(shí)期，NASA曾獲得空前絕后的資金支持，不僅推動(dòng)了水星計(jì)劃、雙子座計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃、先鋒計(jì)劃、水手/旅行者計(jì)劃等一系列大型項(xiàng)目的開(kāi)展，也為美國(guó)在航空航天領(lǐng)域的人才技術(shù)優(yōu)勢(shì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

造價(jià)100億美元，這些錢(qián)都花在了哪里?

雖然100億美元看起來(lái)很多，但實(shí)際上對(duì)于研制詹姆斯·韋伯這樣的頂級(jí)望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，并不能說(shuō)非常寬裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。沒(méi)辦法，前沿科學(xué)研究就是這么“燒錢(qián)”。

為了獲得更好的觀測(cè)能力，詹姆斯·韋伯在各項(xiàng)方面都進(jìn)行了升級(jí)、更新，可以說(shuō)每筆錢(qián)都用在了刀刃上。

1、更大口徑的鏡片

光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡的核心是鏡片，其口徑與觀測(cè)能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望遠(yuǎn)鏡，詹姆斯·韋伯的鏡片口徑從2.4米提升到了6.5米，集光面積也從4.5平方米攀升到了25.4平方米。

需要注意的是，口徑增加帶來(lái)的整體難度和造價(jià)提升并不是線性增長(zhǎng)關(guān)系，光是這一項(xiàng)，就直接決定了詹姆斯·韋伯的預(yù)算遠(yuǎn)超哈勃。

△人類、哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡和詹姆斯·韋伯主鏡的大小對(duì)比(圖片來(lái)源：NASA)

鏡片太大，幾乎很難整體制造，不僅失敗風(fēng)險(xiǎn)大、材料成本極高，也勢(shì)必帶來(lái)整體質(zhì)量和體積的攀升，甚至遠(yuǎn)超人類現(xiàn)有火箭的發(fā)射能力。因此，詹姆斯·韋伯的鏡面設(shè)計(jì)選擇了拼接方案，由18面一模一樣的六邊形組成，發(fā)射時(shí)折疊起來(lái)，進(jìn)入太空后再拼接到一起。

2、堪稱“鬼斧神工”的鏡面材料

詹姆斯·韋伯在制造、發(fā)射和工作時(shí)要面臨截然不同的溫度環(huán)境。特別是它的核心器件工作溫度已非常接近絕對(duì)零度，對(duì)鏡面材料的要求極高，因此需要同時(shí)具備抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、反射率高、密度低、溫度形變小、性質(zhì)不活潑等特點(diǎn)。

而在精度要求上，最后鏡片成型的制造加工精度要達(dá)到10納米級(jí)別，這個(gè)要求所允許的誤差相當(dāng)于一張A4紙厚度的萬(wàn)分之一!而且在進(jìn)入太空后，整體拼接和鏡片姿態(tài)控制的精度也要達(dá)到同等水平。

綜合上述要求，詹姆斯·韋伯的鏡片主要材料選擇了堿土金屬鈹，10納米幾乎就是幾十個(gè)鈹原子并排擺在一起的寬度，這是接近“鬼斧神工”級(jí)別的制造加工工藝要求。

3、一把屏蔽熱量的“太陽(yáng)傘”

遠(yuǎn)離地球，不代表能徹底擺脫地球的干擾，詹姆斯·韋伯還要面對(duì)太陽(yáng)光和地球反射光/熱輻射的干擾。為此，它需要背上一個(gè)大大的“太陽(yáng)傘”來(lái)屏蔽熱量，并使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)維持核心部件接近絕對(duì)零度的工作環(huán)境。

△遮陽(yáng)板總共有五層，都要精準(zhǔn)打開(kāi)(圖片來(lái)源：NASA)

按照設(shè)計(jì)要求，這把傘需要提供300攝氏度以上的溫度屏蔽效果。這相當(dāng)于一面是高溫油炸，另一面卻是冰天雪地。它的每一層材料主要由聚酰亞胺、硅膜和鋁膜構(gòu)成，首層最厚也僅為50微米，比人類頭發(fā)絲直徑還小，而中間層僅為25微米。

更大的難度還在后面——這把“太陽(yáng)傘”如何順利展開(kāi)?

“太陽(yáng)傘”每一層的面積約300平米，在發(fā)射時(shí)會(huì)被塞進(jìn)火箭里劇烈振動(dòng)，進(jìn)入太空后要在激光引導(dǎo)下讓100余個(gè)小型拖車帶著逐層展開(kāi)。難度可想而知，這無(wú)疑是人類歷史上最厲害的一個(gè)遮陽(yáng)板。

整體來(lái)看，詹姆斯·韋伯需要的都是最先進(jìn)的科技，且各種研發(fā)都是“孤品”，它既沒(méi)有備份，也不會(huì)量產(chǎn)，必須保證100%成功率。除此以外，還要經(jīng)過(guò)一系列極高成本的測(cè)試和維護(hù)。這些因素累加在一起，讓它的預(yù)算迅速攀升到了100億美元級(jí)別。

△詹姆斯·韋伯的官方海報(bào)(圖片來(lái)源：NASA)

看似“咕咕咕”，其實(shí)是必須一次成功的魄力

我們都知道，哈勃望遠(yuǎn)鏡雖然遠(yuǎn)在太空中，但也僅離地球表面大約575公里，可以說(shuō)“緊挨”著地球。那詹姆斯·韋伯為什么不能像哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，在離地球近一些的地方工作呢?

這是因?yàn)榈厍蚝退械奈矬w一樣都是熱源，在源源不斷往外反射陽(yáng)光和輻射紅外線，否則就會(huì)持續(xù)變暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空氣分子和星際塵埃，對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡依然有一定影響。對(duì)于更加精密的詹姆斯·韋伯來(lái)說(shuō)，這些影響尤其明顯。所以，它必須想盡辦法遠(yuǎn)離它的誕生地——地球。

然而，“逃離”地球后，并非就萬(wàn)事大吉了。進(jìn)入錯(cuò)綜紛繁的引力世界，航天器將受到太陽(yáng)、地球、月球，乃至宇宙萬(wàn)物的引力影響，這使得它的軌道很難穩(wěn)定下來(lái)。對(duì)于質(zhì)量和體積都很大的望遠(yuǎn)鏡而言，頻繁地通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作維持軌道，不僅會(huì)導(dǎo)致發(fā)射時(shí)必須攜帶大量推進(jìn)劑，也會(huì)極大地影響觀測(cè)質(zhì)量。

△詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡位置示意圖(圖片來(lái)源：NASA)

因此，必須要在上述要求中找到一個(gè)平衡。權(quán)衡利弊后，科學(xué)家們選擇了日-地引力平衡的拉格朗日2點(diǎn)作為詹姆斯·韋伯的工作地點(diǎn)。這里距離地球150萬(wàn)公里(月球距離地球不過(guò)38萬(wàn)公里)，遠(yuǎn)離了地球這個(gè)熱源和灰塵源的干擾，溫度也低達(dá)零下220攝氏度以下，可滿足望遠(yuǎn)鏡的整體工作溫度環(huán)境要求。此外，在“日-地拉格朗日2點(diǎn)”，太陽(yáng)和地球兩大引力源和諧共處，共同牽引附近的航天器圍繞太陽(yáng)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，航天器所需要的軌道維持成本極低。

不過(guò)，這給詹姆斯·韋伯帶來(lái)了另一大挑戰(zhàn)：這么遠(yuǎn)的距離，一旦它出了任何問(wèn)題，人類是不可能去維修的。這也意味著它變成了“一錘子買(mǎi)賣(mài)”，要求一次性成功，不能有任何失誤。

這和哈勃望遠(yuǎn)鏡形成了鮮明的對(duì)比。當(dāng)年哈勃升空后出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，于是在1993-2009年間，人類通過(guò)五次極其昂貴的航天飛機(jī)任務(wù)不斷維護(hù)并提升哈勃，才使得它獲得了今天舉世矚目的成就。

如今，航天飛機(jī)已經(jīng)徹底退役，人類也失去了在太空中維修大型航天器的能力。不過(guò)，即便航天飛機(jī)再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2點(diǎn)”。畢竟，哈勃的工作地點(diǎn)距地球不過(guò)幾百千米遠(yuǎn)，這和詹姆斯·韋伯與地球之間的150萬(wàn)千米的距離，是完全不同的概念。

某種程度上，這也是詹姆斯·韋伯鴿了又鴿的重要原因——一旦發(fā)射，承受不起一點(diǎn)失誤。

△為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，NASA總共進(jìn)行了六次航天飛機(jī)任務(wù)，付出了巨大代價(jià)(圖片來(lái)源：作者自制)

所以，對(duì)于負(fù)責(zé)火箭發(fā)射的歐空局而言，這次的成功毫無(wú)疑問(wèn)是令人興奮的，發(fā)射團(tuán)隊(duì)緊繃了數(shù)年的神經(jīng)終于可以好好放松一下了。畢竟這是個(gè)100多億美元的“一錘子買(mǎi)賣(mài)”，背后有著無(wú)數(shù)人幾十年的努力付出。

在探索宇宙的路上，又邁出了新的一步

詹姆斯·韋伯的漫長(zhǎng)研發(fā)史，是人類最頂級(jí)智慧的結(jié)晶?，F(xiàn)在，它終于順利升空前往遙遠(yuǎn)的目標(biāo)工作地點(diǎn)。也許很多人會(huì)關(guān)注它的經(jīng)費(fèi)，感慨前沿科學(xué)研究的“燒錢(qián)”，但是，我們更應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，我們?yōu)榍把乜茖W(xué)付費(fèi)，其實(shí)是在為人類上下求索的決心與夢(mèng)想付費(fèi)，如此看來(lái)，這價(jià)格也不能說(shuō)是昂貴。

未來(lái)，詹姆斯·韋伯會(huì)給人類帶來(lái)什么?可以預(yù)知的是，它能更容易探尋到宇宙的邊界和最初的奧秘;無(wú)法預(yù)測(cè)的是，科學(xué)家們將在它的數(shù)據(jù)里獲得何等驚人的發(fā)現(xiàn)。它是人類夢(mèng)想向宇宙深處的又一次延伸，是人類好奇心與探索精神的承載，是人類在探索世界的路上邁出的新的一步。讓我們祝福它遠(yuǎn)航的路上一切順利，期待它帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)與啟迪!

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